Технологии в электронной промышленности №4'2009

Прямоугольные электрические соединители. Современное состояние и перспективы развития отечественного производства прямоугольных электрических соединителей

Александр Сафонов

Леонид Сафонов

Технический уровень российских электрических соединителей не в полной мере в настоящее время соответствует требованиям, предъявляемым к электронным компонентам, необходимым для комплектации современной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Научно-технический задел, позволявший ранее отечественным соединителям в основном соответствовать зарубежным аналогам, сегодня уже практически исчерпан и становится недостаточным для поддержания требуемого уровня отрасли.

Введение

Рассматриваемая в настоящее время концепция развития радиоэлектронного приборостроения, содержащая в своей основе магистрально-модульный принцип построения РЭА на базе унифицированных электронных модулей, стандартных шин и протоколов обмена и программного обеспечения, предполагает создание функционально-ориентированной комплексной системы наукоемких высокотехнологичных электрических соединителей, которая позволит разработчикам РЭА организовать и обеспечить электрические, электромеханические, оптические, пневматические и другие необходимые связи для качественного функционирования аппаратуры. Это касается не только качества и надежности РЭА, но и увеличения ее функциональности, а также улучшения массо-габаритных характеристик.

Определенные успехи и достижения отечественной электроники состоялись во многом благодаря существовавшему в советский период государственному подходу к планированию и управлению в электронной промышленности. Целостное восприятие электроники, подчеркивающее ее перспективное значение в научно-техническом прогрессе народного хозяйства, в обеспечении экономической и, особенно в тот период, оборонной безопасности страны, гарантировало электронной промышленности приоритетную государственную поддержку.

Однако по мере перехода в конце 1990-х годов к рыночной экономике ослабели действовавшие ранее административные рычаги управления и координации в электронной промышленности. Негативно сказался распад СССР на производстве электрических соединителей, где доля России составляла около 30% всего объема их производства. Основное производство электрических соединителей было сосредоточено в Киргизии (более 44%) и на Украине (более 20%). Таким образом, отечественная электроника к концу 1990-х годов попала в крайне сильную зависимость от импорта в части обеспечения электрическими соединителями.

Известно, что электрические соединители относятся к одним из наиболее массовых радиоэлектронных компонентов, годовая потребность в которых составляет порядка 20 млн штук. Однако в производстве радиоэлектронной аппаратуры специального и общепромышленного назначения соотношение применения отечественных и импортных соединителей сегодня составляет 35 : 65% и 15 : 85% соответственно.

Применяемые в настоящее время в РЭА отечественные электрические соединители не в полной мере отвечают современным требованиям и уровню лучших мировых достижений. Как видно на рис. 1, все основные виды отечественных электрических соединителей отстают от зарубежного уровня.



Рис. 1. Достигнутый уровень развития производства отечественных соединителей: 1 — мировой уровень; 2 — отставание (до 5 лет); 3 — значительное отставание (5–10 лет); 4 — сильное отставание (более 10 лет или необратимое); светлая область — достигнутый уровень производства соединителей; заштрихованная — ожидаемый уровень производства соединителей

В частности, отечественные прямоугольные соединители уступают зарубежным по шагу и количеству контактов, уровню защиты от электромагнитных помех, удельным характеристикам. Они не соответствуют требованиям потребителей по максимальным токовым нагрузкам (1–2 А на сигнальный контакт при требуемых 4–6 А и 10 А на силовой контакт при требуемых 30–40 А), диапазону рабочих температур (до 85 °С при требуемых 125 °С), диапазону рабочих частот (3 МГц при требуемых 400 МГц); практически отсутствует номенклатура соединителей для автоматизированного монтажа на поверхность печатной платы.

Для ликвидации возникшей зависимости от импорта в России была принята программа «Импортозамещение». В рамках этой программы предусматривалось воспроизводство импортной электронной компонентной базы (ЭКБ), которая уже была заложена разработчиками РЭА в изделия или планировалась к использованию в ближайшей перспективе.

В результате предпринятых мер удалось лишь частично улучшить обеспечение отрасли прямоугольными электрическими соединителями. В то же время сегодня разработано и воспроизведено в рамках программы «Импортозамещение» необоснованно большое количество различных типов прямоугольных электрических соединителей, которые по своим основным конструктивным характеристикам и функциональному назначению дублируют друг друга, но не в полном объеме соответствуют современным требованиям, о которых говорилось выше. Основной причиной создавшегося положения стало отсутствие должной координации в разработке и производстве электрических соединителей, а в еще большей степени — в бессистемном их применении разработчиками аппаратуры.

Продолжение такой политики может привести к еще большему отставанию в разработке и производстве наукоемких высокотехнологичных электрических соединителей. Ведь воспроизводство, то есть простое копирование зарубежных аналогов, уже в принципе предусматривает замедление темпов разработки более совершенных электрических соединителей.

Необходимо прекратить бессистемную разработку и воспроизводство технически необоснованного многообразия типов прямоугольных электрических соединителей, а приступить к созданию функционально ориентированной комплексной системы электрических соединителей, удовлетворяющей модульному построению радиоэлектронных средств специального и общепромышленного применения. Эта система должна содержать минимально возможное количество типов электрических соединителей, которое позволит разработчикам РЭА организовать и обеспечить требуемые электрические, электромеханические, оптические, пневматические и другие связи, необходимые для нормальной работы аппаратуры в заданных условиях эксплуатации.

В решении научно-практической конференции «Инновационные технологии радиоэлектронного комплекса — регионам России», проходившей в г. Санкт-Петербурге 23–25 сентября 2008 года, записано, что в ближайшее время необходимо разработать концепцию развития радиоэлектронного приборостроения, содержащую в своей основе магистрально-модульный принцип построения радиоэлектронной аппаратуры на базе унифицированных электронных модулей, стандартных шин и протоколов обмена и программного обеспечения.

Общая классификация радиоэлектронных средств

Прежде чем приступить к рассмотрению общих технических требований к электрическим прямоугольным соединителям с учетом магистрально-модульного принципа построения РЭА на базе унифицированных электронных модулей, остановимся на классификации радиоэлектронных средств, в которых они применяются. Это позволит нам в дальнейшем более конкретно обсуждать те или иные особенности и конструктивные характеристики определенных типов соединителей.

В радиоэлектронике принято подразделять радиоэлектронные средства на радиотехнические и электронные.

Радиотехническими считаются средства радиолокации, радионавигации, радиосвязи и телевидения.

Электронными считаются средства электронной автоматики, электронно-вычислительной техники, электронно-измерительной техники и т. п.

Рассмотрим общую классификацию радиоэлектронных средств (РЭС). Существующие конструкции РЭС можно классифицировать по четырем основным признакам:

  • по степени конструктивной и схемной сложности;
  • по назначению;
  • по способу компоновки комплектующих изделий;
  • по принципу конструктивного построения несущей части.

По степени конструктивной и схемной сложности РЭС подразделяются на:

  • большие радиоэлектронные системы;
  • радиоэлектронные системы;
  • радиоэлектронные приборы;
  • радиоэлектронные устройства;
  • радиоэлектронные блоки.

По назначению радиотехнические и электронные средства подразделяются на:

  • наземные;
  • самолетные;
  • судовые или корабельные.

Под наземными понимают средства, используемые в сухопутных условиях:

  • стационарные (предназначенные для работы в наземных и подземных помещениях и на открытых площадках);
  • переносные и выносные (переносимые при применении или постоянно носимые во время эксплуатации);
  • передвижные или мобильные (работающие в кузовах и кабинах различных наземных транспортных средств).

Под самолетными (бортовыми) понимают РЭС, работающие на самолетах, вертолетах и других летательных аппаратах. Самолетные РЭС иногда называют «авионикой».

Под судовыми (корабельными) понимают РЭС, работающие на кораблях всех классов и на других плавательных средствах.

По принципу построения несущей части РЭС классифицируются на:

  • монтажные платы;
  • субблоки (открытые и закрытые, защищенные и незащищенные);
  • частичные вставные блоки;
  • комплектные вставные блоки;
  • стойки (открытого и закрытого типа);
  • стенды.

Такое построение РЭС основывается на применении схем несущих конструкций, построенных по модульному принципу. Подобную схему несущих конструкций можно представить в следующем виде (рис. 2).



Рис. 2. Система базовых несущих конструкций РЭС

Представленные выше конструктивные исполнения РЭС базируются на тех или иных системах базовых (типовых) несущих конструкций (БНК).

Воздействия внешних условий на наземные, самолетные и корабельные РЭС, безусловно, различны. Значения предельных параметров внешних условий для определенного вида РЭС установлены в ГОСТ 11478, а в каждом конкретном случае — в технических условиях (ТУ) на конкретное устройство.

Системный подход к разработке, производству и применению прямоугольных соединителей

Попытка создания системы прямоугольных соединителей для РЭА, основанной на использовании БНК, была предпринята в 1990-е годы. Уже тогда ставилась задача создания функционально ориентированной системы соединителей. Так, ОАО «Авангард» (г. Санкт-Петербург) в 1992 году вело работу по созданию базовых многоконтактных прямоугольных соединителей, которая по ряду причин не была выполнена. И только в 2000 году ФГУП «Карачевский завод “Электродеталь”» в рамках ОКР «Соединитель-3» освоило в серийном производстве этот тип соединителей (СНП-269 — 2-, 3- и 4-рядные многоконтактные соединители). Продолжением этой работы на ФГУП «Карачевский завод “Электродеталь”» стало создание на основе базовых моделей многорядных многоконтактных соединителей СНП-269 нового типа комбинированных соединителей СКП-269 с дополнительными функциями— коммутации силовых цепей и цепей с радиочастотными сигналами.

Однако разработка и освоение серийного производства соединителей СНП-269 и СКП-269 стали лишь отдельными фрагментами планируемой системы, решающими частные задачи. Появившийся в эти же годы Совет главных конструкторов по координации работ в области создания концепции развития радиоэлектронной аппаратуры, содержащей в своей основе магистрально-модульный принцип построения, а, соответственно, и ЭКБ (в том числе и прямоугольных электрических соединителей), не выполнил возложенную на него задачу.

В настоящее время функции по координации отдельных вопросов в области разработки и применения прямоугольных электрических соединителей возложены на Центральное бюро применения (ЦБП) при ФГУП «Карачевский завод “Электродеталь”».

Одним из основных направлений разработки прямоугольных электрических соединителей за рубежом является развитие системы, регламентированной стандартами МЭК 1076-4-100 и МЭК 1076-4-101, по созданию прямоугольных электрических соединителей для обеспечения электрической, конструктивной и информационной совместимости электронных модулей на основе межотраслевых базовых несущих конструкций (МБНК).

Заложенные в этих стандартах принципы позволяют разработчикам РЭА реализовывать практически любые электрические, электромеханические и другие виды связей между модулями I, II и III порядков. Некоторые представления о таких возможностях дают схемы, приведенные на рис. 3 и 4.



Рис. 3. Фрагмент схемы комплексной системы прямоугольных соединителей, регламентированной стандартами МЭК 1076-4-100 и МЭК 1076-4-101



Рис. 4. Схема соединителей

Стандарты МЭК 1076-4-100 и МЭК 1076-4-101 определяют сетки контактов с шагами 2,5 и 2,0 мм, при этом плотность их расположения на 1см2 — 16 и 25 контактов соответственно. Данные стандарты задают модульное построение соединителей с наличием сигнальных, силовых и высокочастотных контактов. Соединители этого класса способны пропускать высокочастотные высокоскоростные интегрированные сигналы, используя соседние контакты в качестве экрана. Кроме того, применение в одном соединителе разновысотных контактов позволяет обеспечить разновременное включение различных функциональных цепей.

Конструкции соединителей позволяют обеспечить разные способы монтажа при установке их в аппаратуру: пайкой (пайка волной, пайка в печах с инфракрасным излучением, ручная пайка паяльником или паяльной станцией), накруткой, обжимкой, врезанием, прокалыванием ленточного провода, установкой на печатную плату методом пресс-фит, а также сочетанием одновременно нескольких способов монтажа. Все эти способы монтажа и особенности их применения авторами были подробно рассмотрены в [5].

Как мы уже отмечали, в России начата разработка концепции развития радиоэлектронного приборостроения, содержащая в своей основе магистрально-модульный принцип построения РЭА на базе унифицированных электронных модулей. Создание РЭА на вышеуказанных принципах предполагает и наличие соответствующей ЭКБ, в том числе и нового поколения прямоугольных соединителей с необходимыми конструктивно-технологическими параметрами.

ФГУП «Карачевский завод “Электродеталь”» уже освоил в серийном производстве несколько типов соединителей, отвечающих требованиям магистрально-модульного принципа построения РЭА. В рамках ОКР «Протокол» и «Протекционизм», запланированных на 2008–2010 гг., которые завод начал выполнять, также предусмотрено дальнейшее освоение соединителей этой серии.

Рассмотрим некоторые типы соединителей, выпускаемые заводом и соответствующие вышеуказанным принципам построения РЭА. В первую очередь, к их числу относятся базовые модели соединителей СНП-269. Они представлены серией 2-, 3- и 4-рядных розеток и вилок под печатный, объемный и планарный монтаж прямого и углового исполнения, со 110, 165 и 220 контактами соответственно (рис. 5–7). Для однозначного сочленения эти соединители имеют систему кодирования, выполненную в виде кодирующих направляю- щих штырей и шайб.



Рис. 5. Розетка СНП-269 2-, 3- и 4-рядная с хвостовиками контактов для прямого монтажа в отверстия печатной платы и под накрутку



Рис. 6. Вилка СНП-269 2- и 3-рядная с хвостовиками контактов для углового монтажа в отверстия печатной платы



Рис. 7. Вилка СНП-269 2-, 3- и 4-рядная с хвостовиками контактов для планарного монтажа на печатную плату

Дополнительно в комплект соединителей СНП-269 входят вставки — розетки и вилки с хвостовиками контактов под накрутку (рис. 8) и под врезку плоского провода (рис. 9).



Рис. 8. а) Розетка (вставка) СНП-269 3-рядная; б) вилка (вставка) СНП-269 3-рядная в кожухе с хвостовиками контактов под накрутку



Рис. 9. а) Вилка (вставка) СНП-269 2-рядная; б) розетка (вставка) СНП-269 2-рядная под врезку плоского кабеля

С помощью этих вставок на одной базовой вилке или розетке соединителя можно организовать коммутацию одновременно нескольких групп электрических цепей с различными способами монтажа. Возможен также вариант использования вставок в качестве самостоятельных соединителей.

Еще бóльшие возможности для организации различных электрических связей представляет использование комбинированных соединителей СКП-269. Данный тип соединителей позволяет, кроме коммутации низкочастотных электрических цепей, создавать силовые цепи и обеспечивать передачу высокочастотных электрических сигналов. Эти дополнительные функции удается реализовать за счет наличия в соединителях СКП-269 от четырех до восьми силовых и радиочастотных контактов. Сочетание силовых и радиочастотных контактов устанавливается в зависимости от необходимости. Для соединителей СКП-269, так же как и для СНП-269, предусмотрена возможность использования дополнительных низкочастотных вставок.

Основные базовые 2-, 3- и 4-рядные соединители СКП-269 представлены на рис. 10–12.



Рис. 10. Розетка СКП-269 2-, 3- и 4-рядная, комбинированная с низкочастотными, силовыми и радиочастотными контактами, с хвостовиками низкочастотных контактов для прямого монтажа в отверстия печатной платы и под накрутку



Рис. 11. Вилка СКП-269 2-, 3- и 4-рядная, комбинированная с низкочастотными, силовыми и радиочастотными контактами, с хвостовиками низкочастотных контактов для планарного монтажа на печатную плату



Рис. 12. Вилка СКП-269 2- и 3-рядная, комбинированная с низкочастотными, силовыми и радиочастотными контактами, с хвостовиками низкочастотных контактов для углового монтажа в отверстия печатной платы

К соединителям рассматриваемой системы необходимо также отнести серию соединителей СНП-268 и ее вариант — соединители с повышенной плотностью контактов СНП-333. Этот тип является аналогом соединителей зарубежного производства D-Sub. Эта серия включает в себя соединители различных типономиналов и модификаций: контактность— 9, 15, 25, 37 и 50 (соответственно, для соединителей СНП-333 — 15, 26, 44, 62 и 78) с метрической и дюймовой сетками расположения контактов, для объемного и печатного монтажа, а также монтажа методом прокалывания на плоский провод. Они изготавливаются в бескорпусном и корпусном вариантах, в пластмассовых корпусах обычного и металлизированного исполнения — для обеспечения функции экранирования и защиты передаваемой информации от несанкционированного доступа.

Применение соединителей в металлизированных пластмассовых корпусах решает очень важную для авионики проблему — снижение веса РЭА с одновременным обеспечением защиты от помех. Это единственный тип отечественных соединителей, в котором задача экранирования решена за счет применения металлизированных пластмассовых корпусов.

Положительное качество конструкции соединителей СНП-268 (СНП-333) — это возможность их фиксации в сочлененном состоянии, что позволяет в процессе эксплуатации, при воздействии внешних факторов, исключить их самопроизвольное расчленение. Обычно эту задачу приходится решать разработчикам РЭА.

Для расширения потребительских свойств и технических возможностей целесообразно некоторые типономиналы этих соединителей дополнить силовыми и радиочастотными контактами, а также рассмотреть возможность введения в их конструкцию оптических контактов, для соединения оптоволоконных кабелей связи. Рассмотренный тип соединителей можно представить в виде схем нескольких его представителей (рис. 13–15).



Рис. 13. СНП-268 (СНП-333) — вилки и розетки для объемного и печатного монтажа с крепежными элементами и без них



Рис. 14. СНП-268 (СНП-333) — вилки и розетки для углового монтажа в отверстия печатной платы



Рис. 15. СНП-268 (СНП-333) — розетки и вилки в прямом и универсальном, экранированном и неэкранированном пластмассовых корпусах

Освоение в серийном производстве ряда позиций электрических соединителей, запланированных в рамках ОКР «Протокол» и «Протекционизм», позволит более полно обеспечить комплектование РЭА отечественными прямоугольными соединителями для автоматизированного монтажа на поверхность печатных плат.

В настоящее время потребность производства РЭА в прямоугольных электрических соединителях для поверхностного монтажа удовлетворяется менее чем на 15%. Такое положение особенно негативно сказывается на производстве РЭА специального назначения, так как применение импортных соединителей этого класса не представляется возможным изза использования в них бессвинцовых технологий, которые не обеспечивают специальных требований по надежности и стойкости к во действию внешних факторов.

Дальнейшая миниатюризация РЭА и выход ее на более высокий технический уровень требует и наличия соответствующей ЭКБ, в том числе и миниатюрных, субминиатюрных и микроминиатюрных электрических соединителей сшагом контактов 1,0; 0,63; 0,5 мм и менее и плотностью контактов на 1 см2 — 100; 200; 400 контактов соответственно. Разработка и изготовление таких соединителей требует и совершенно иного подхода к процессам проектирования и технологического оснащения производства. Процесс проектирования должен быть полностью автоматизирован. Разработка современных методик и программ автоматизированного проектирования, основанных на последних достижениях науки и техники, позволит обеспечить выполнение поставленных задач по созданию наукоемких высокотехнологичных электрических соединителей.

Более серьезной проблемой, чем решение задачи создания современной автоматизированной системы проектирования, в ближайшей перспективе будет проблема обеспечения технологической подготовки производства, то есть обеспечения условий реального производства соединителей с заявленными техническими характеристиками.

Современное состояние и технический уровень основных фондов, отечественных предприятий, выпускающих электрические соединители, особенно их активной части — технологического оборудования, требует значительного обновления и модернизации. Физический, а также моральный износ основной их массы составляет от 60 до 75%, а имеющееся в инструментальном производстве оборудование уже сейчас не в полной мере позволяет обеспечить необходимую точность и выполнение отдельных операций при изготовлении технологической оснастки текущего производства.

Дальнейшее усложнение конструкции электрических соединителей, в том числе и повышенные требования по точности вследствие их миниатюризации, делают практически невозможным их производство при существующем технологическом и инструментальном оснащении.

Производство отечественных соединителей, соответствующих в полной мере современным требованиям производителей РЭА, и дальнейшее их совершенствование будет возможно только при оснащении инструментального производства и разработке новых технологических процессов, включая и использование нанотехнологий.

Заключение

Сегодня очевидно, что дальнейшее отставание России в такой ключевой области промышленности, как производство электронных компонентов, к сфере которого относится и производство электрических соединителей, крайне опасно и недопустимо, поскольку не позволит перейти от «сырьевой» экономики к экономике «знаний» и обеспечить первоочередное развитие высокотехнологичных отраслей промышленности, решение задач по обеспечению безопасности государства. Достаточно привести такой пример: во вновь разрабатываемых отечественных радиоэлектронных средствах специального назначения применяется до 70% иностранных электронных компонентов. Конкретно по прямоугольным соединителям этот показатель достигает в ряде случаев 80%. В силу действующих за рубежом ограничений на поставку в Россию специальных электронных компонентов, отечественным разработчикам РЭС приходится довольствоваться несоответствующей требованиям заказчиков номенклатурой импортной ЭКБ, что приводит к целому ряду негативных моментов и, в частности, к дополнительным затратам на вынужденную проверку изделий при ее применении на соответствие заявленным требованиям.

Учитывая ведущую роль отечественной электроники в возрождении российского промышленного потенциала, в России принята Федеральная целевая программа (ФЦП) «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на 2008–2015 годы, включающая в себя:

  • комплексную реструктуризацию и техническое перевооружение действующих производств;
  • внедрение новых перспективных технологий для создания конкурентоспособных электронных компонентов;
  • проектирование и создание новых производств по выпуску высокотехнологичных, наукоемких перспективных электронных компонентов.

Ожидается, что это даст возможность решить задачи обеспечения потребностей создания стратегически важной аппаратуры и систем, а уже в 2011 году резко уменьшить долю используемой импортной ЭКБ в общем объеме закупок предприятиями радиоэлектронного комплекса, то есть изменить существующее в настоящее время соотношение 65 : 35% в пользу импортной ЭКБ на 70 : 30% в пользу отечественной ЭКБ.

Все это позволит повысить уровень конкурентоспособности отечественной электронной техники, как на внутреннем, так и на внешнем рынках, и обеспечит значительное укрепление обороноспособности и безопасности России.

Литература

  1. Борисов Ю. И. Динамика электроники-2. М.: Департамент радиоэлектронной промышленности Минторга РФ. 2008.
  2. Материалы научно-практической конференции «Инновационные технологии радиоэлектронного комплекса — регионам России». 23–25 сентября 2008 г. Санкт-Петербург.
  3. Вейд Ч. В. Производство электроники в России // Электронные компоненты. 2008. № 10.
  4. «Экспоэлектроника» — зеркало мировых тенденций // Электроника. 2008. № 5.
  5. Сафонов Л., Сафонов А. Прямоугольные электрические соединители. Рекомендации по практическому применению в РЭА электрических соединителей // Технологии в электронной промышленности. 2007. № 5.
  6. ГОСТ 21962. Соединители электрические. Термины и определения.
  7. Мальцев П. П. Мир материалов и технологий. Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника. М.: Техносфера, 2006.

Другие статьи по этой теме


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо

Термореле
Термореле для холодильников. В наличии! Низкие цены! Доставка
masterkit.ru
Купить кабель сип
СИП кабели оптом! Горячие цены. Доставка по РФ! Жмите
en-komplekt.ru